Vor 13,8 Milliarden Jahren begann das Universum, wie wir es kennen, mit dem heißen Urknall. In dieser Zeit hat sich der Raum selbst ausgedehnt, die Materie hat eine Anziehungskraft erfahren, und das Ergebnis ist das Universum, das wir heute sehen. Aber so groß wie alles ist, gibt es eine Grenze für das, was wir sehen können. Ab einer bestimmten Entfernung verschwinden die Galaxien, die Sterne funkeln heraus und es sind keine Signale aus dem fernen Universum zu sehen. Was liegt darüber hinaus? Das ist die Frage dieser Woche von Dan Newman, der fragt:

Wenn das Universum ein endliches Volumen hat, gibt es dann eine Grenze? Ist es zugänglich? Und was könnte der Blick in diese Richtung sein?

Beginnen wir damit, an unserem jetzigen Standort zu beginnen und so weit wie möglich in die Ferne zu schauen.

In unserem eigenen Hinterhof ist das Universum voller Sterne. Aber wenn Sie mehr als 100.000 Lichtjahre entfernt sind, haben Sie die Milchstraße hinter sich gelassen. Darüber hinaus gibt es ein Meer von Galaxien: vielleicht zwei Billionen insgesamt in unserem beobachtbaren Universum enthalten. Sie kommen in einer großen Vielfalt von Typen, Formen, Größen und Massen. Aber wenn man auf die entfernteren zurückblickt, beginnt man etwas Ungewöhnliches zu finden: Je weiter eine Galaxie entfernt ist, desto wahrscheinlicher ist es, dass sie kleiner und massereicher ist und ihre Sterne an sich blauer sind als die nahen.

Dies ergibt Sinn im Kontext eines Universums, das einen Anfang hatte: einen Geburtstag. Das war der Urknall, der Tag, an dem das Universum, wie wir es kennen, geboren wurde. Für eine Galaxie, die relativ nah ist, ist es ungefähr so alt wie wir. Aber wenn wir uns eine Galaxie ansehen, die Milliarden von Lichtjahren entfernt ist, musste dieses Licht Milliarden von Jahren reisen, um unsere Augen zu erreichen. Eine Galaxie, deren Licht 13 Milliarden Jahre braucht, um uns zu erreichen, muss weniger als eine Milliarde Jahre alt sein.

Das obige Bild ist das Hubble eXtreme Deep Field (XDF), das tiefste Bild des fernen Universums, das jemals aufgenommen wurde. Es gibt Tausende von Galaxien in diesem Bild, in einer Vielzahl von Entfernungen von uns und voneinander. Was Sie jedoch nicht in einfachen Farben sehen können, ist, dass jeder Galaxie ein Spektrum zugeordnet ist, in dem Gaswolken Licht mit ganz bestimmten Wellenlängen absorbieren, basierend auf der einfachen Physik des Atoms. Wenn sich das Universum ausdehnt, dehnt sich diese Wellenlänge aus, so dass die weiter entfernten Galaxien röter erscheinen als sonst. Diese Physik erlaubt es uns, auf ihre Entfernung zu schließen, und siehe da, wenn wir ihnen Entfernungen zuweisen, sind die am weitesten entfernten Galaxien die jüngsten und kleinsten von allen.Jenseits der Galaxien erwarten wir, dass es die ersten Sterne und dann nichts als neutrales Gas geben wird, wenn das Universum noch nicht genug Zeit hatte, Materie in einen Zustand zu bringen, der dicht genug ist, um einen Stern zu bilden. Vor Millionen von Jahren war die Strahlung im Universum so heiß, dass sich keine neutralen Atome bilden konnten, was bedeutet, dass Photonen kontinuierlich von geladenen Teilchen abgeprallt sind. Wenn sich neutrale Atome bildeten, sollte dieses Licht einfach für immer in einer geraden Linie strömen, unbeeinflusst von irgendetwas anderem als der Expansion des Universums. Die Entdeckung dieses übrig gebliebenen Glühens — des kosmischen Mikrowellenhintergrunds – vor mehr als 50 Jahren war die ultimative Bestätigung des Urknalls.

Also von wo wir heute sind, können wir in jede Richtung schauen, die wir mögen und sehen, wie sich die gleiche kosmische Geschichte entfaltet. Heute, 13,8 Milliarden Jahre nach dem Urknall, haben wir die Sterne und Galaxien, die wir heute kennen. Früher waren Galaxien kleiner, blauer, jünger und weniger entwickelt. Davor gab es die ersten Sterne und davor nur neutrale Atome. Vor neutralen Atomen gab es ein ionisiertes Plasma, dann gab es noch früher freie Protonen und Neutronen, spontane Erzeugung von Materie und Antimaterie, freie Quarks und Gluonen, alle instabilen Teilchen im Standardmodell und schließlich den Moment des Urknalls selbst. Der Blick auf immer größere Entfernungen entspricht einem Blick in die Vergangenheit.

Obwohl dies unser beobachtbares Universum definiert — mit der theoretischen Grenze des Urknalls, die sich 46,1 Milliarden Lichtjahre von unserer aktuellen Position entfernt befindet — ist dies keine reale Grenze im Weltraum. Stattdessen ist es einfach eine Grenze in der Zeit; Es gibt eine Grenze für das, was wir sehen können, weil die Lichtgeschwindigkeit es Informationen erlaubt, sich nur so weit über die 13,8 Milliarden Jahre seit dem heißen Urknall zu bewegen. Dieser Abstand ist weiter als 13.8 Milliarden Lichtjahre, weil sich das Gewebe des Universums ausgedehnt hat (und weiter ausdehnt), aber es ist immer noch begrenzt. Aber was war vor dem Urknall? Was würden Sie sehen, wenn Sie irgendwie nur einen winzigen Bruchteil einer Sekunde früher in die Zeit gehen würden, als das Universum seine höchsten Energien hatte, heiß und dicht und voller Materie, Antimaterie und Strahlung?

Sie würden feststellen, dass es einen Zustand namens kosmische Inflation gab: wo das Universum ultraschnell expandierte und von Energie dominiert wurde, die dem Raum selbst innewohnt. Der Raum expandierte während dieser Zeit exponentiell, wo er flach gedehnt wurde, wo er überall die gleichen Eigenschaften erhielt, wo bereits existierende Teilchen alle weggedrückt wurden und wo Fluktuationen in den Quantenfeldern, die dem Raum innewohnen, über das Universum gestreckt wurden. Als die Inflation dort endete, wo wir sind, füllte der heiße Urknall das Universum mit Materie und Strahlung und führte zu dem Teil des Universums — dem beobachtbaren Universum —, den wir heute sehen. 13,8 Milliarden Jahre später sind wir hier.

Die Sache ist, es gibt nichts Besonderes an unserem Standort, weder im Raum noch in der Zeit. Die Tatsache, dass wir 46 Milliarden Lichtjahre entfernt sehen können, macht diese Grenze oder diesen Ort nicht zu etwas Besonderem; Es markiert einfach die Grenze dessen, was wir sehen können. Wenn wir irgendwie einen „Schnappschuss“ des gesamten Universums machen könnten, der weit über den beobachtbaren Teil hinausgeht, wie er 13, 8 Milliarden Jahre nach dem Urknall überall existiert, würde alles so aussehen, wie es unser nahe gelegenes Universum heute tut. Es würde ein großes kosmisches Netz von Galaxien, Clustern, Filamenten und kosmischen Hohlräumen geben, das sich weit über die vergleichsweise kleine Region hinaus erstreckt, die wir sehen können. Jeder Beobachter, an jedem Ort, würde ein Universum sehen, das demjenigen sehr ähnlich ist, das wir aus unserer eigenen Perspektive sehen.

Die einzelnen Details wären anders, genauso wie die Details unseres eigenen Sonnensystems, unserer Galaxie, unserer lokalen Gruppe usw. aus der Sicht eines anderen Beobachters unterschiedlich sind. Aber das Universum selbst hat kein endliches Volumen; Es ist nur der beobachtbare Teil, der endlich ist. Der Grund dafür ist, dass es eine zeitliche Grenze gibt — den Urknall —, die uns vom Rest trennt. Wir können uns dieser Grenze nur durch Teleskope (die auf frühere Zeiten im Universum blicken) und durch Theorie nähern. Bis wir herausfinden, wie wir den Vorwärtsfluss der Zeit umgehen können, wird dies unser einziger Ansatz sein, um den „Rand“ des Universums besser zu verstehen. Aber im Weltraum? Es gibt überhaupt keine Kante. Um das Beste, was wir sagen können, würde jemand am Rande dessen, was wir sehen, uns einfach als den Rand sehen!

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